計及分布式電源的小電阻接地系統(tǒng)作業(yè)安全接地防護研究

摘"要：中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)存在單相“誤送電”情況下殘壓過大、跨步電壓過高問題，會對作業(yè)人員的人身安全造成威脅，尤其是在分布式電源大量接入趨勢下問題愈發(fā)嚴重。首先從接地措施的基礎(chǔ)安全入手，分析接地極的接地方式及相關(guān)土壤特性，提供相應(yīng)的典型土壤接地電阻計算方法;其次，基于PSCAD/EMTDC聯(lián)合Anysy軟件搭建含分布式電源的小電阻接地系統(tǒng)作業(yè)接地模型，分析殘壓、跨步電壓過大的問題。最后，結(jié)合實際現(xiàn)場驗證，提出有效的檢修作業(yè)接地安全措施，為相關(guān)部門安全作業(yè)提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞： 小電阻接地系統(tǒng); 分布式電源; 殘壓; 跨步電壓; 安全作業(yè)

中圖分類號： TM774+.4

文獻標志碼： B

文章編號： 2095-8188（2024）03-0066-05

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.03.011

Research on Safe Grounding Protection for Small Resistance Grounding System Considering Distributed Generation

WANG Chengjie

（North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Abstract：

Excessive residual voltage and step voltage in the case of single-phase \"1 power supply\" of the neutral point grounding system with small resistance may pose a threat to the personal safety of operators，especially in the trend of large-scale connection of distributed generation supplies.Firstly，the grounding mode of grounding electrode and related soil characteristics are analyzed from the safety basis of grounding measures.The corresponding typical soil grounding resistance calculation method is provided.Secondly，based on PSCAD/EMTDC and Anysy software，the operating grounding model of small resistance grounding system with distributed power supply is built to analyze the problems of residual voltage and excessive step voltage.Finally，combined with the actual field verification，the effective grounding safety measures for maintenance operation are put forward to provide useful reference for relevant departments.

Key words：

small resistance grounding system; distributed generation; residual voltage; step voltage; safe operation

0"引"言

我國中壓配電網(wǎng)中性點多采用不接地和經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地方式，也有部分沿海城市采用經(jīng)小電阻的大電流接地方式［1］。小電阻接地系統(tǒng)由于流過故障線路的電流較大，零序過流保護的靈敏度高，更容易切斷接地線路，在許多大中型城市中逐漸得到了推廣，然而在分布式電源（DG）大量接入趨勢下，小電阻接地系統(tǒng)的“誤送電”“孤島可靠性”等作業(yè)安全風險變得愈加嚴重，即電源點的增加存在誤操作以及孤島裝置故障概率提升，此時流經(jīng)接地線的短路電流增大，工作地點處的殘壓隨之增大，跨步電壓升高，可能對作業(yè)人員的人身安全造成威脅。

接地線是電網(wǎng)作業(yè)人員的安全線，為保證作業(yè)人員人身安全，針對小電阻接地系統(tǒng)作業(yè)安全接地的研究顯得尤為重要。文獻［2］提出各種故障工況下接地方式的轉(zhuǎn)變對故障電流、過電壓的影響，并衍生到供電可靠性、人身安全等復(fù)雜問題。文獻［3］利用Ansys 和 CDEGS 軟件計算了小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時故障點的跨步電壓并進行評估，提出了相關(guān)安全方法，但未涉及分布式電源接入。文獻［4］提出一種基于奧迪道克公式的中壓有源配電網(wǎng)工作接地線的安全校核方法，并根據(jù)實際拓撲提供可靠的接地措施，但對小電阻接地系統(tǒng)的描述篇幅過小，且缺乏仿真分析。

本文針對分布式電源接入的小電阻接地系統(tǒng)，首先介紹了接地線的接地方式及土壤特性，并提供相應(yīng)的接地電阻計算方法，然后基于PSCAD/EMTDC聯(lián)合Anysy軟件搭建了含分布式電源的小電阻接地系統(tǒng)作業(yè)接地模型，探究不同分布式電源類型對其單相接地特性的影響，結(jié)果表明小電阻接地系統(tǒng)下工作點處殘壓對作業(yè)人員的人身安全造成了嚴重威脅，最后結(jié)合實際現(xiàn)場提出了相關(guān)的作業(yè)安全措施，保障作業(yè)人員安全。

1"接地方式及其土壤特性分析

實際作業(yè)中接地線通常以3種方式與大地相連，分別是變電站接地網(wǎng)、防雷接地裝置、臨時接地極。3種接地方式的接地效果從高到低依次減弱。

（1） 變電站接地網(wǎng)是指變電站中和各種電氣設(shè)備相連、深埋于地下的金屬導(dǎo)體網(wǎng)［5］。接地網(wǎng)一般由水平接地極和垂直接地極組成，材料大多為鍍鋅鋼，由于變電站的保護要求較高，因此接地電阻一般不超過0.5 Ω。

（2） 為了避免電氣設(shè)備遭受直接雷擊或間接雷擊的侵害，許多桿塔均會裝設(shè)防雷接地裝置［6］。防雷接地裝置通常通過接地引下線連接到地下縱橫交錯的接地網(wǎng)，由于和土壤介質(zhì)結(jié)合緊實，同樣也有良好的接觸電阻和接地電阻。合格的防雷接地裝置一般對接地電阻都有較高要求，防雷接地裝置接地電阻要求如表1所示。

（3） 臨時接地極通常采用自然接地體或人工打入接地樁，達到與大地連接的目的［7］，是目前檢修作業(yè)中最為常見的安全接地方式。但由于土

壤介質(zhì)不確定性導(dǎo)致的土壤電阻率過高以及實際操作的條件限制等不良因素，臨時接地極的接地效果遠不如上述2種方式，臨時接地極的接地電阻和土壤特性，接地極的材質(zhì)、半徑、埋深深度等因素有關(guān)，其中土壤特性的影響最大，因此有必要對土壤的相關(guān)特性進行分析。

大地土壤是由固體、液體以及氣體3種物質(zhì)組成的地表物質(zhì)層，常態(tài)下土壤具備一定的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性與接地點的地理環(huán)境、土壤濕度、大氣溫度以及土質(zhì)類別等有關(guān)［8-9］。土壤電阻率是反映大地導(dǎo)體特性的一個技術(shù)指標，地質(zhì)物理特性影響土壤電阻率。部分地質(zhì)土壤電阻率參考值如表2所示。

實際上，對于地球這個低阻大導(dǎo)體，不僅各地段土壤電阻率不同，各地表層也有所差異［10-11］。一般來說，表層土壤中的水分容易蒸發(fā)和向下滲透，促使導(dǎo)電特性下降，土壤電阻率較高，而深層的土壤更易保存水分，有較為穩(wěn)定、低電阻的導(dǎo)體特性，因此，并不能簡單地將土壤模型近似為單層模型。研究表明，地球的土壤模型絕大多數(shù)都能夠近似為雙層模型［12］，為分析簡便且保證一定的精度，本文以雙層模型為例進行分析。

根據(jù)GB/T 50065—2011標準規(guī)定，典型兩層土壤中垂直接地極的接地電阻可近似計算為

R=ρα2πl(wèi)ln4ld+C（1）其中，C=∑SymboleB@n=1ρ2－ρ1ρ2+ρ1nln2nh－l2（n－1）h+l

ρα=ρ1，"llt;h

ρα=lρ1ρ2/［hρ2+（l－h(huán)）ρ1］，"lgt;h（2）

式中："l——接地極的埋深;

d——接地極的直徑;

h——上層土壤的深度;

ρ1、ρ2——上層、下層土壤的電阻率。

2"計及分布式電源的小電阻接地系統(tǒng)作業(yè)安全仿真分析

針對分布式電源建模，本文利用PSCAD/EMTDC軟件分別建立了鼠籠式風力發(fā)電機組（恒速恒頻風力發(fā)電機組）、直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機組、光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，其中鼠籠式風力發(fā)電機組采用轉(zhuǎn)速控制模式啟動升速后達到額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)后切換成轉(zhuǎn)矩控制模式，直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機組采用零d軸電流控制策略，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率點跟蹤（MPPT）控制以及并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制方法［13］。

利用PSCAD并聯(lián)合Ansys軟件仿真單相來電工況。小電阻接地系統(tǒng)檢修作業(yè)仿真如圖1所示。

該系統(tǒng)為含分布式電源的10 kV中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，圖1中，Rb=20 Ω，DG的類型分為3種，DG1為鼠籠式風力發(fā)電（SCIG），容量默認為750 kW，DG2為光伏發(fā)電（PV）、DG3為直驅(qū)式風力發(fā)電（D-PMSG），容量默認為500 kV，位于檢修點1開展檢修工作，此外在Ansys中建立雙層土壤模型，其中上層土壤電阻率為50 Ωm，深度為3 m，下層土壤由于水分較充足，土壤電阻率取30 Ωm，接地極半徑為15 mm，埋深度為1.2 m，考慮接地極與土壤之間的接觸電阻［14］，可等效成在接地極的表面附以電阻率為5 Ωm的外層土質(zhì)。利用CDEGS接地軟件的MALT模塊可模擬出接地電阻31.11 Ω。接地模型及對應(yīng)接地電阻值如圖2所示。

將上述接地電阻結(jié)果代入PSCAD軟件中，仿真單相來電工況。定義0.4 s時，QF2突然A相合閘，0.7 s時保護動作，考慮在母線C上無DG接入、PV和D-PMSG兩種逆變型DG接入、SCIG旋轉(zhuǎn)電機型接入，對比DG容量均為2 MW共4種情況下接地線的單相短路電流大小。單相短路電流有效值對比如圖3所示。

由圖3可知，各種類型的DG對單相短路電流的助增作用并不明顯，這是由于遠方單相來電時，電流通過接地線流向大地會產(chǎn)生接地阻抗，一般來說接地阻抗遠大于線路阻抗，因此DG提供的短路電流大部分從母線B流向系統(tǒng)電源側(cè)，抵消了部分電源側(cè)向接地線處提供的短路電流。以SCIG接入為例，母線B上A相電流波形如圖4所示。若分布式電源滲透率過高，仍會加劇作業(yè)點的安全風險。

為分析單相來電接地電流通過接地極往大地散流時，接地極周圍的地電位分布，可將接地電流注入處看作點電流源電極進行仿真，即把上述所得短路電流代入Ansys的Workbench模塊模擬單相短路電流入地工況。桿上作業(yè)人員所受單相殘壓如圖5所示;電位分布如圖6所示。

由圖5、圖6可得，對于中性點采用小電阻接地方式的有源配電網(wǎng)，其單相殘壓可達6 kV以上，對桿上作業(yè)人員的人身安全造成嚴重威脅，作業(yè)人員距離接地線越近，則單相殘壓越小，但我國大部分中壓線路均已實現(xiàn)絕緣化，接地線通常掛接在線路的驗電接地環(huán)上，況且距離接地線過近會影響作業(yè)人員的操作空間，因此在工作中應(yīng)將“防范單相合閘誤操作”作為預(yù)防作業(yè)人員人身觸電的重點。

假設(shè)人腳之間的跨度約為1 m，若地面上的工作人員在接地極附近走動，此時工作人員可能受到跨步電壓的影響?？绮诫妷喝绫?所示。

由表3可知，距離接地極越近，跨步電壓越大，同時衰減得越快，在距離接地線7 m外的位置，跨步電壓將降至人體安全電壓36 V以下。

3"實際應(yīng)用現(xiàn)場驗證

選取福建省某市10 kV某支線小電阻接地系統(tǒng)開展實際現(xiàn)場驗證，該線路有5處分布式電源接入點，均為光伏發(fā)電，接入容量共計393.5 kW，滲透率為4.25%，位于該支線17#桿附近測量接地電阻及跨步電壓，探究改善作業(yè)安全的接地措施?，F(xiàn)場試驗如圖7所示;各種接地電阻測量值和跨步電壓分別如表4至表7所示。

由表4、表5可得，增加接地極埋深、采用雙重接地極、降低土壤電阻率均能夠降低臨時接地極的接地電阻，臨時接地極打在草坪上的接地電阻較大，基本在200 Ω以上，若臨時接地極打在松軟潮濕紅土上，則接地電阻最大可降低至約35 Ω，效果較為理想。由此可得，在實際檢修中，臨時接地極最好打在松軟潮濕的土地上，以降低接地電阻，應(yīng)避免打在干燥生硬的草坪上。

由表6、表7可知，距離接地極越遠、入地電流越小、接地極埋深越大，則跨步電壓越小，在距離接地極7 m開外時，以人體安全電壓36 V為例，跨步電壓能夠滿足安全要求，與仿真結(jié)果一致。在測試點更改為水泥地后，跨步電壓降低效果明顯，在距接地極3 m外，跨步電壓能夠滿足人體安全電壓。

因此，針對小電阻接地系統(tǒng)單相送電工況殘壓、跨步電壓過大的問題，提出以下改善措施：

（1） 防范單相合閘誤操作。應(yīng)防范由個人安全意識薄弱引起的線路單相合閘誤操作，尤其在小電阻接地系統(tǒng)中應(yīng)加強操作管理建設(shè);

（2） 檢修過程中必須要打入接地極，針對分布式電源滲透率、桿塔點檢修頻率較高的地點，可以考慮裝設(shè)固定接地極，接地極埋深越大、數(shù)量越多，離接地點越遠，則跨步電壓越小，應(yīng)避免在接地極附近走動;

（3） 桿上作業(yè)時，距離接地線越近，則作業(yè)人員殘壓越小，越安全，因此作業(yè)時應(yīng)盡量靠近接地線掛接位置。

4"結(jié)"語

線路纜化率的增加，導(dǎo)致系統(tǒng)電容電流不斷增大，部分發(fā)達城市已采用小電阻接地方式，同時會給檢修工作現(xiàn)場作業(yè)安全造成威脅，分布式電源的大量接入更會加劇該現(xiàn)象。本文以小電阻接地系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從接地極的接地方式、土壤特性入手進行分析，提供了接地電阻計算方法，然后搭建了含分布式電源的小電阻接地系統(tǒng)作業(yè)接地模型，結(jié)合實際現(xiàn)場提出了有效保證人身安全的接地措施，包括采用固定接地極和多重接地極、增大接地極埋深、桿上作業(yè)應(yīng)距離接地線較近等，可為小電阻接地系統(tǒng)現(xiàn)場檢修作業(yè)安全布置提供有益借鑒。

【參 考 文 獻】

［1］"徐丙垠， 李天友.配電網(wǎng)中性點接地方式若干問題的探討［J］.供用電，2015，32（6）：12-16，29.

［2］"薛永端， 郭麗偉， 張林利， 等.有源配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇問題［J］.電力系統(tǒng)自動化，2015，39（13）：129-136.

［3］"龍國華， 劉衍， 彭軍海， 等.配網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)過電壓與人身安全性仿真研究［J］.電瓷避雷器，2019（5）：85-91，98.

［4］"黃偉達， 李天友， 劉松喜， 等.中壓有源配電網(wǎng)工作接地線安全校核方法［J］.電力科學與技術(shù)學報，2022，37（4）：114-124.

［5］"NEAMT L， CHIVER O.A Simple design method of unequal spacing arrangement for substation grounding grid［J］.IEEE Access，2021（9）：141339-141346.

［6］"JAMALI M， NIASATI M， JAZAERI M.Lightning analysis of adjacent grounding systems using multi-conductor transmission line method ［J］.IET Science，Measurement and Technology，2020，14（10）：848-52.

［7］"楊體.變配電接地裝置的技術(shù)、安全要求及施工方法［J］.電力自動化設(shè)備，2003（5）：82-85.

［8］"曹曉斌， 吳廣寧， 付龍海， 等.溫度對土壤電阻率影響的研究［J］.電工技術(shù)學報，2007（9）：1-6.

［9］"俞勝， 梁暉， 馬恒瑞.考慮環(huán)境因素影響的配電線路雷電絕緣防護失效概率計算［J］.智慧電力，2020，48（5）：106-110.

［10］"劉連光， 馬成廉.基于有限元方法的直流輸電接地極多層土壤地電位分布計算［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（18）：1-5.

［11］"熊栘貝， 劉宇彬.基于CDEGS影響立體式桿塔接地裝置沖擊接地電阻的因素研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2020（8）：12-17.

［12］"DAWALIBI F， BLATTNER C J.Earth Resistivity Measurement Interpretation Techniques［J］.Power Apparatus amp; Systems IEEE Transactions on，1984，PAS-103（2）：374-382.

［13］"王云會， 鄭強仁， 郭淼，等.分布式電源接入配電網(wǎng)的控制策略及消納能力評估研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（4）：83-87.

［14］"毛興華， 馬亞琦， 潘子仁， 等.小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障地電位分布與人身安全性研究［J］.電瓷避雷器，2019（2）：120-124.

收稿日期： 20231121